被《Nature》推薦！靈感來自“龍蝦”，MIT趙選賀團隊研制出高抗疲勞納米纖維水凝膠
龍蝦的腹部覆蓋著一層半透明的薄膜，這種薄膜既有彈性，又出奇地堅韌。這種水下盔甲是由自然界已知的最堅硬的水凝膠制成的，而這種水凝膠恰好也是高度柔韌性的。當龍蝦在海底掙扎時，這種力量和柔軟的結合有助于保護它，同時能游泳前進。
麻省理工學院的趙選賀團隊模仿龍蝦腹部的結構，制造出納米纖維水凝膠。一系列拉伸和沖擊測試表明，這種合成材料具有顯著的“抗疲勞能力”，能夠承受反復的拉伸和拉扯，而不會撕裂。納米纖維水凝膠材料有望用于制造具有彈性和強度的替代組織，如人造肌腱和韌帶等。該團隊的研究結果以“Strong fatigue-resistant nanofibrous hydrogels inspired by lobster underbelly”為題發表在《Matter》雜志上。
【龍蝦腹部啟發的納米纖維水凝膠設計】納米纖維水凝膠普遍存在于動植物體內，具有高孔隙率、高含水量和生物相容性等優點，可應用于在組織再生、離子皮膚、止血敷料、軟骨修復、紡織傳感器、可打印的柔性植入電極、組織粘合劑、和小型生物機器人。靜電紡絲是制備納米纖維水凝膠最廣泛的方法之一，因為靜電紡絲可以得到相對均勻的纖維直徑和可調的纖維結構�，F有的靜電紡絲納米纖維水凝膠通常是脆弱的，因為納米纖維強度低、界面弱。特別是水的存在會逐漸使納米纖維膨脹，并攻擊納米纖維之間的界面，從而形成脆弱的納米纖維網絡。研究者們通過引入強的化學交聯來提高納米纖維水凝膠的強度和韌性。然而，這種增強的納米纖維水凝膠在多次循環下仍然容易發生疲勞失效。研究表明，龍蝦下腹部的軟膜是一種天然水凝膠，在循環載荷下具有極高的斷裂韌性(24.98 MJ/m3)和拉伸強度(23.36 MPa)。趙選賀教授從仿生學角度，模仿龍蝦腹部的材料和結構，設計和制造了納米纖維水凝膠，達到8.4 MPa的拉伸強度和770 J /m2抗疲勞性。在拉伸應力為1 MPa的情況下，經過長時間的循環，在干態下可以承受自身3000倍的重量，在水化狀態下具有40 kJ/kg的優越穿透功，具有優越的抗沖擊性能，可與聚乙烯媲美。作者選擇聚乙烯醇(PVA)作為納米纖維水凝膠的模型材料體系，納米纖維的結晶度可調，納米纖維之間的界面可調。作者進一步量化了納米纖維之間的界面強度對納米纖維網絡整體強度的貢獻。此外，作者建立了一個理論模型來解釋納米纖維結構和纖維網絡的疲勞閾值之間的關系。
圖1靈感來源于“龍蝦腹部”的強抗疲勞納米纖維水凝膠
圖2高強度和抗疲勞納米纖維水凝膠的設計原理：強抗疲勞納米纖維水凝膠需要納米纖維和高晶納米纖維之間的協同作用，這種焊接界面能抵抗疲勞和減少裂紋的擴展。【納米纖維水凝膠的結構和力學特性】作者基于靜電紡絲、焊接和干退火的順序制備了納米纖維水凝膠，并用掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描量熱法(DSC)等來表征。作者發現，隨著水蒸氣暴露時間的延長，焊接納米纖維網絡的強度增加，但水蒸氣的過度暴露會使PVA納米纖維完全溶解，導致納米纖維結構受損因此，因此設置了6分鐘的適度水蒸氣暴露時間，以確保納米纖維之間的強界面，同時保持納米纖維PVA結構。作者表征了各種納米纖維水凝膠在不同條件下的力學性能。如圖3所示，結晶度低、界面弱的納米纖維水凝膠由于分解成孤立的納米纖維，在水中浸泡時不能承受任何機械載荷。相比之下，結晶度低、界面強的納米纖維水凝膠的強度為4 MPa，但由于戊二醛的高交聯聚合物導致其脆性斷裂，最終拉伸應變僅為1.2。高結晶度、弱界面納米纖維水凝膠的拉伸應變可達2.25，但強度僅為1.4 MPa。相比之下，高結晶度和強界面的納米纖維水凝膠具有高強度(3.5 MPa)和高拉伸性能(拉伸應變可達3.4)。作者進一步表征了不同納米纖維水凝膠在動態循環載荷下的疲勞性能。如圖3K所示，高結晶度強界面納米纖維水凝膠的疲勞閾值達到600 J/m2，高結晶度、弱界面納米纖維水凝膠為320 J/m2。
圖3 納米纖維水凝膠的結構和力學特性作者進一步開發了一個納米纖維網絡模型來模擬納米纖維網絡在拉伸載荷下的力學響應。隨著界面強度的降低，纖維網絡變得越來越弱，拉伸性越來越差。模擬結果表明，纖維網絡的力學響應主要受界面強度的影響，而非界面的延伸性。納米纖維網絡中的疲勞裂紋擴展與聚合物網絡中的疲勞裂紋擴展類似，這可以用Lake-Thomas模型來解釋，如圖5C和5D的原位共聚焦激光掃描顯微鏡圖像和所示。
圖5 預測納米纖維狀水凝膠網絡疲勞閾值的理論模型綜上所述，趙選賀教授團隊提供了一個設計抗疲勞納米纖維水凝膠的一般策略，通過納米纖維和納米晶域界面強結合實現。研究表明，納米纖維中引入納米晶疇和相鄰納米纖維結合的協同作用可顯著提高納米纖維水凝膠的疲勞閾值，從41 J/m2提高到600 J/m2。這項研究的靈感來自龍蝦腹部，為下一代納米纖維水凝膠的各種新興應用開辟了一條道路，包括人工組織的替代、輕質物理防護、紡織電子、智能服裝和組織工程支架等。全文鏈接：
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